Na Wydziale Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego opracowano uniwersalną metodę, na bazie której można tworzyć szeroki wachlarz molekularnych, miękkich materiałów magnetycznych. W odróżnieniu od dotychczas stosowanych na świecie technologii, związki uzyskane metodą opracowaną w UJ są odporne na wysokie temperatury, co zwiększa potencjał ich stosowania w różnych sektorach przemysłu. 

To ważne odkrycie z co najmniej dwóch powodów. Na bazie prekursorów, opisanych w zastrzeżonej metodzie, można tworzyć obszerną gamę mikromagnetyków z udziałem wielu łatwodostępnych pierwiastków – nie tylko metali uważanych do tej pory jako pierwiastki magnetycznie aktywne. W praktyce oznacza to niską cenę wdrożenia technologii i jednocześnie uniezależnienie od trudnodostępnych i drogich metali, takich jak kobalt, nikiel czy metale ziem rzadkich, obecnie wykorzystywanych do produkcji materiałów magnetycznych. Poza tym magnetyki molekularne mają potencjalnie bardzo szerokie zastosowanie w wielu sektorach gospodarki, od medycyny i farmacji, przez technologie kosmiczne, elektronikę, nośniki pamięci i energetykę, po komputery kwantowe. Każda innowacja w segmencie molekularnych magnetyków daje więc spore szanse na postęp technologiczny w różnych dziedzinach naszego życia. 

„Opracowaliśmy prekursory z ligandami cyjanowymi, które wykazują cechy poszukiwane od lat przez przemysł. Można je łączyć z szeroką gamą pierwiastków, w tym również niemetali, co pozwala uzyskać mikrocząsteczki o nadzwyczaj silnych właściwościach ferromagnetycznych, czyli takich, które są właściwe dla zwykłych magnesów. Co ciekawe, na bazie opracowanych przez nas prekursorów można wytwarza magnetyczne materiały miękkie w różnych postaciach – magnetycznych ciał stałych, jak i magnetycznych cieczy. Możemy uzyskać nie tylko cząsteczki, ale też różnej wielkości kryształy, proszek czy powłoki o właściwościach magnetycznych” – mówi prof. dr hab. Janusz Szklarzewicz z UJ.

Odporne na wysokie temperatury

Opracowana na UJ technologia pozwala wytwarzać ferromagnetyki miękkie, które zachowują trwałość i właściwości magnetyczne w wysokich temperaturach. Wytrzymują one każdy zakres temperatur aż do poziomu rozpadu prekursora. To o tyle istotna informacja, że w dotychczas stosowanych w przemyśle molekularnych materiałach magnetycznych dużym problemem jest utrata właściwości ferromagnetycznych już w bardzo niskich temperaturach, nawet poniżej temperatury ciekłego azotu, co dotychczas znacząco ogranicza możliwości ich praktycznego wykorzystania. 

Cechy szczególne poszukiwane przez przemysł

Magnetyki molekularne w odróżnieniu od tradycyjnych materiałów magnetycznych mają interesujące, odmienne cechy – małą gęstość oraz bistabilność spinową. Ta pierwsza oznacza, że w takim materiale magnetycznym uzyskuje się bardzo wysoki stosunek siły pola magnetycznego do masy zużytego materiału. Bistabilność spinowa z kolei powoduje, że materiał magnetyczny może zmieniać swoje właściwości magnetyczne pod wpływem zewnętrznych czynników, np. światła. 

Miękkie magnetyki wykazują właściwości ferromagnetyczne, dopóki poddawane są zewnętrznemu oddziaływaniu pola magnetycznego. Gdy wykazuje ono zmienność, nawet w wysokich częstotliwościach, podobnej zmienności ulega materiał magnetyczny. Ważną cechą jest tutaj szybkość zachodzących zmian magnetycznych (wartość histerezy). Cecha ta jest szczególnie pożądana w przemyśle energetycznym – przesyle energii oraz transformacji napięcia – ponieważ warunkuje ona efektywność przesyłu energii, jak i straty, które w nim się pojawiają. Odpowiednie materiały magnetyczne umożliwiają też budowę urządzeń o niskiej stratności energetycznej, które mogą pracować przy bardzo wysokich częstotliwościach.

„Opracowana przez nas klasa materiałów wykazuje właściwości magnetyczne na poziomie cząsteczkowym i zachowuje się podobnie do ferromagnetyków, czyli tradycyjnych magnesów. Cechy materiału wynikają z właściwości pojedynczych cząsteczek, a nie ze struktury krystalicznej, z czym mamy do czynienia w zwykłych magnesach. W praktyce oznacza to tyle, że korzystając z odpowiednich prekursorów możemy pozyskiwać mikrocząsteczki magnetyczne. Możemy je również ze sobą łączyć, tak aby uzyskać pożądany materiał docelowy, na przykład kryształ, ciecz czy powłokę. Wszystko zależy od przeznaczenia danego magnetyku. W każdym razie technologia daje ogromny potencjał jej wykorzystania do różnych celów – wszędzie tam, gdzie potrzebne są miękkie materiały o właściwościach ferromagnetycznych” – wyjaśnia dr hab. Maciej Hodorowicz, współtwórca wynalazku z Wydziału Chemii UJ. 

Szerokie pola eksploatacji

Opracowana technologia daje bardzo szeroki wachlarz zastosowań. Na obecnym etapie Uniwersytet Jagielloński zapewnił technologii ochronę poprzez zgłoszenia patentowe na terenie Polski i za granicą. Teraz ważne jest zawiązanie współpracy z podmiotami z różnych branż, które zdecydują się na testowanie i wdrożenie tej innowacji. „Istnieją szerokie możliwości wdrażania w takich obszarach, jak komputery kwantowe, transformatory energii, nośniki leków, miniaturyzacja elektroniki, produkcja nośników danych, czy w tak wyrafinowanych segmentach, jak uszczelniające ciecze magnetyczne stosowane w stacjach kosmicznych czy satelitach. Na tym etapie współpraca z przemysłem jest kluczowa, a szerokość potencjału powoduje, iż poszukujemy partnerów do dalszego rozwoju tej technologii równocześnie w wielu branżach i segmentach” – mówi dr inż. Gabriela Konopka-Cupiał, dyrektorka Centrum Transferu Technologii UJ, CITTRU.

Nośniki pamięci z samodestrukcją

Inną cechą, jaką wykazują się opracowane na UJ magnetyki molekularne, jest światłoczułość. „Światłoczułość umożliwia wykorzystanie tych materiałów na przykład w produkcji nowego typu nośników pamięci, w których kluczowym elementem jest cienka powłoka magnetyczna. Taka powłoka może ulec kontrolowanemu zniszczeniu, pod wpływem światła, jak i odpowiedniej temperatury. Ważne przy tym jest to, że tego rodzaju kontrolowana destrukcja rzeczywiście powoduje nieodwracalną utratę danych. Być może właśnie tego typu technologie w przyszłości znajdą zastosowanie również w przemyśle wojskowym czy specjalistycznej informatyce” – dodaje prof. dr hab. Janusz Szklarzewicz.